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Article.
A la recherche d'un
éventuel Réel quantique
par Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin - 11/09/2010
En
présentant dans notre rubrique Livres en bref(1)
le dernier livre de Stephen Hawking, The Great Design,
co-écrit avec le physicien Leonard Mlodinow,
nous indiquions ceci :
"Stephen Hawking et son
collègue et co-auteur estiment que la découverte
en 1992 d'une planète orbitant autour d'une autre
étoile que le soleil (découverte suivie
depuis de dizaines d'autres) oblige à déconstruire
la vision d'Isaac
Newton selon laquelle l'univers n'est pas sorti du chaos.
On sait que, pour Newton, du fait de son ordre parfait,
l'univers aurait été créé
par Dieu.
Pour
les auteurs, la découverte de systèmes planétaires
lointains dément les affirmations des partisans
du principe anthropique fort, selon laquelle des paramètres
soigneusement choisis ont permis l'apparition de l'homme
sur la Terre. Le fait que le Soleil soit unique (au lieu
d'être double comme dans certains systèmes),
qu'il soit situé à la bonne distance de
la Terre et qu'il soit doté d'une masse adéquate,
sont de simples coïncidences dues au hasard des lois
physiques.
Ajoutons
que l'on pourra en dire autant de ces lois et au-delà
des constantes cosmologiques, dont les défenseurs
du même principe anthropique disent qu'elles ont
été réglées au millimètre
près (fine tuned) pour que l'homme puisse apparaître.
Le
livre ne se limite pas à énoncer ce qui
pour les scientifiques matérialistes constitue
une évidence. Il reprend les réponses que
peuvent apporter les hypothèses de la physique
et de la cosmologie moderne aux grandes questions philosophiques:
quand et comment a commencé l'univers ? Pourquoi
nous y trouvons-nous ? Pourquoi quelque chose au lien
de rien ? Qu'est-ce que la réalité ? Pourquoi
les constantes physiques semblent-elles justifier notre
présence ? Et finalement, la science offre-t-elle
d'autres perspectives que le recours à un Grand
Dessein ou un Grand Créateur pour expliquer tout
ce qu'elle observe ?
Parmi les réponses de la science qu'ils recensent,
les auteurs se réfèrent à une interprétation
de la mécanique quantique dite du multivers, souvent
évoquée sur notre site, selon laquelle le
cosmos n'a pas une seule histoire. Toutes les histoires
possibles de l'univers coexistent simultanément.
Mais cela, appliqué à l'univers dans sa
totalité remet en question la relation entre la
cause et l'effet, indispensable à la science quotidienne.
Pour Hawking et Mlodinow, le fait que le passé
n'aurait pas une forme bien définie signifie que
nous créons l'histoire de l'Univers en l' «observant»
autrement dit en y agissant. Ce n'est donc pas l'histoire
passée de l'univers qui nous crée. On retrouve
là les conclusions des travaux de Mioara Mugur-Schächter,
résumés par le concept de MCR, Méthode
de Conceptualisation Relativisée. A leurs yeux,
nous sommes nous-mêmes le produit de fluctuations
quantiques inhérentes à l'univers dans sa
toute première forme. Selon eux, la mécanique
quantique prédit de façon très solide
le multivers, hypothèse selon laquelle notre univers
n'est que l'un des nombreux univers qui apparurent (ou
peuvent encore apparaître) spontanément à
partir du vide quantique, chacun d'eux doté de
lois fondamentales différentes."
Les
lecteurs de notre site savent que le concept de multivers,
souvent évoqué dans nos colonnes, rencontre
à la fois un accord assez général
des physiciens quantiques et une défiance de
la plupart des autres scientifiques, du fait notamment
qu'à ce jour il n'a pas paru directement observable.
Il paraît donc intéressant de faire le
point sur la façon dont il est aujourd'hui reçu,
en s'appuyant sur les travaux récents.
Derrière l'hypothèse du multivers, se
pose directement celle encore plus fondamentale de la
Réalité. Nous venons de voir ce qu'en
pensent Hawking et Mlodinow. Mais le profane pourrait
se dire que le concept de multivers n'évacue
pas l'idée qu'il existe une réalité
sous-jacente aux descriptions de la science. Elle serait
seulement plus complexe que ce que la science, elle-même
limitée par les capacités cognitives de
notre cerveau, pourrait se représenter.
Avec un petit effort cependant, on pourrait imaginer des
univers multiples, s'étendant à l'infini.
Le concept même d'infini est d'ailleurs utilisé
depuis des temps immémoriaux par les religions,
puis plus récemment par les mathématiques.
Sans se le formuler nettement, ceux qui l'emploient considèrent
qu'il correspond à quelque chose de réel,
se situant «hors de notre réalité
à nous» mais appartenant à un réel
de catégorie supérieure. Dans cet esprit,
les concepts mathématiques utilisés par
les sciences dites réalistes, par exemple la mécanique
newtonienne décrivant la gravité, sont des
symboles pertinents pour se représenter le réel.
Mais le réel ne s'éclipse pas derrière
ces symboles. Il est toujours là. On doit par conséquent
constamment améliorer les formulations mathématiques
pour se rapprocher de ce réel en soi, quitte à
se résigner à ne jamais pouvoir l'atteindre
pleinement.
Dans l'esprit de ceux - sans doute rares selon Feynman
- qui l'ont comprise, la mécanique quantique postule
tout autre chose. Ses structures mathématiques,
autrement dit son formalisme (fonctions d'onde, vecteurs
d'état, matrices, espace de Hilbert), n'ont pas
et ne cherchent pas à avoir de relations avec l'hypothèse
d'un Réel dont, selon une formule célèbre
de Laplace s'appliquant à Dieu, elle n'a pas besoin.
Le paradoxe est que, si ces structures mathématiques
opèrent parfaitement bien dans le monde de la physique
macroscopique quotidienne, il n'est pas possible de les
rattacher à un ensemble de principes ou postulats
dont elles dériveraient. Certains diront qu'il
en est de même de la physique newtonienne, dont
les postulats de base ressemblent beaucoup à des
choix philosophiques puisqu'ils ne sont pas vérifiables.
Mais, comme rappelé ci-dessus, Newton et ses successeurs
n'ont jamais évacué la question de la réalité
du Réel sous-jacent à leurs descriptions
mathématiques du monde. Or la physique quantique
adopte un point de vue différent. Certains de ses
représentants évoquent parfois un «monde
quantique» ou infra-quantique sous-jacent à
ce que décrit le formalisme, mais il s'agit d'une
manière de parler car ce terme de monde quantique
ne peut susciter de recherches destinées à
en préciser le contenu. La recherche de «variables
cachées», qui avaient été évoquées
par Louis de Broglie puis David Bohm dès les premières
années de la physique quantique, n'a toujours pas
abouti(2). L'idée dominante
face au mystère du monde quantique pourrait ainsi
être résumée par cette expression
de la police urbaine après un attentat : «circulez,
il n'y a rien à voir».
Depuis quelques années cependant, certains jeunes
physiciens s'efforcent de trouver des méthodes
permettant, non de décrire le monde quantique en
termes réalistes - ce qui ne sera jamais sans doute
possible à moins de découvrir une loi qui
serait déjà opérante parmi nous et
que nous n'aurions pas vu jusqu'ici (comme Newton l'avait
fait de la gravité), mais de réduire quelques
unes des incertitudes ou bizarreries qui donnent son originalité
épistémologique à la mécanique
quantique.
Le multivers
Une première direction en ce sens peut être
signalée. Il s'agit précisément de
la question du multivers évoquée au début
de cet article.
 Pourquoi
se mettre en peine à cet égard puisque en
termes observationnels, le fait que dans un univers supposé
parallèle au nôtre, et en application du
principe d'incertitude, un autre moi découvre un
chat de Schrödinger mort alors que moi je l'avais
observé vivant n'est d'aucune importance [nb
: à propos du chat de Schrödinger, consulter
l'article de Christophe Jacquemin "Petit
rappel sur la décohérence et la réduction
de la fonction d'onde"]. Ce qui compte et
comptera toujours pour moi est mon chat à moi,
même si dans une infinité d'univers parallèle,
une infinité d'observateurs analogues à
moi constatent la vie ou la mort d'une infinité
de chats.
Les probabilités de trouver le chat soit vivant
soit mort se calculent en utilisant une fonction complexe
représentant l'état de la particule radioactive
commandant l'ouverture de la bouteille de gaz toxique
supposée tuer le pauvre animal. Il s'agit de la
fonction d'onde et le principe dit de Born permet de calculer
la probabilité de trouver le chat vivant ou mort.
Mais s'il existe une multiplicité d'univers, que
deviendra cette probabilité à l'échelle
de l'ensemble de ces univers ?
Récemment les physiciens Anthony Aguirre, Max Tegmark
et David Layzer ont suggéré(3)
une «interprétation cosmologique» de
la mécanique quantique. Selon cette interprétation,
la fonction d'onde décrirait l'ensemble «réel»
de systèmes quantiques identiques dotés
d'autant d'observateurs obtenant chacun des résultats
différents. Il ne serait plus besoin de faire appel
à la règle de Born pour connaître
la probabilité de trouver le chat vivant ou mort,
il suffirait de dénombrer les observateurs et leurs
observations. Il n'y aurait plus alors d'incertitude globale.
L'incertitude quantique serait alors locale, si l'on peut
dire. Elle serait attribuable à l'incapacité
de tel observateur individuel à se localiser dans
cet ensemble.
Bel avantage, dira-t-on, puisque ce dénombrement
serait irréalisable, du fait de l'impossibilité
d'accéder aux différents univers du multivers.
Mais pour les auteurs, leur proposition a l'avantage de
tuer, non le chat, mais l'hypothèse du multivers,
qui devient inutile. Le physicien se retrouve dans l'interprétation
classique dite de Copenhague, ne postulant qu'un univers
mais reposant sur le principe d'incertitude. Sauf que
ce principe d'incertitude ne fait pas appel ce que l'on
pourrait appeler le caractère définitivement
étrange (weird) du monde quantique. Le monde
quantique serait en ce cas «réel»,
au sens du réalisme traditionnel, bien que composé
d'une infinité d'univers.
Certes
pour connaître la probabilité de survenue
de tel événement, nous serions comme avant
obligé de faire appel aux probabilités,
c'est-à-dire à la fonction d'onde et à
la règle de Born. Mais beaucoup de physiciens déconcertés
par le principe d'incertitude pourraient alors nourrir
l'espoir, en s'appuyant sur l'hypothèse que le
monde quantique est d'une façon ou d'une autre
réel, envisager de nouvelles approches permettant
de préciser cette réalité, non seulement
en termes de formulations mathématiques, mais pourquoi
pas un jour d'expériences sur le terrain. Ainsi
pourrait-on espérer pouvoir un jour comprendre
la raison du caractère probabiliste du monde quantique,
qui reste évidemment encore à découvrir(4).
Les
corrélations quantiques
On ne se trompera pas en pensant que cette première
approche ne suffira pas à satisfaire ceux qui voudraient
élucider la raison des caractères intrinsèquement
bizarres du monde quantique. On trouve une autre piste.dans
un article du NewScientist dont la publication
a précédé de quelques jours celle
citée ci-dessus(5). Elle
est principalement explorée par le physicien Caslav
Brukner de l'université de Vienne(6).
Ce savant voudrait revenir sur ce qu'il estime être
une démission de la physique quantique face à
l'effort de mieux comprendre ce que serait une réalité
quantique, autrement dit un monde quantique de type réel
sous-jacent au nôtre. Pour cela, il propose de retrouver
la démarche qui a toujours été celle
de la science : observer, élaborer des hypothèses
de lois, en déduire des hypothèses de faits
et soumettre ces dernières à l'expérimentation.
Mais par où commencer ? Brukner juge inopérant
de rejoindre les nombreuses équipes qui dans le
cadre de la gravitation quantique s'efforcent, sans succès
à ce jour, de concilier gravitation et mécanique
quantique. Pour lui, comme pour des chercheurs explorant
des pistes voisines, plutôt qu'aborder la question
à partir de la gravité comme le font les
théoriciens de la théorie des cordes, mieux
vaudrait le faire par l'autre extrémité,
c'est-à-dire en approfondissant les fondements
physiques de la mécanique quantique elle-même.
Une relecture critique de la question des corrélations
quantiques leur paraît offrir une voie.
On
appelle corrélation le fait que deux corps ou événements
non connectés puissent disposer d'états
similaires, en fonction de ce que permet ou non la théorie
s'y appliquant. Dans la physique classique ces corrélations
ne peuvent se produire que si d'une part les objets ou
événements disposent de propriétés
réelles intrinsèques et si, d'autre part,
ils partagent la même localité ou, en le
disant autrement, si leurs propriétés ne
sont pas définies par des influences extérieures.
Il s'agit des conditions de réalisme et de localité.
Pour la théorie quantique de la corrélation,
ces deux conditions ne sont pas nécessaires. Cette
théorie définit dans ses termes propres
les conditions selon lesquelles des objets apparemment
non corrélés peuvent l'être, comme
dans le cas de plus en plus étudié de l'intrication
(entanglement). Or des chercheurs ont montré
que des lois physiques simples non quantiques permettent
des corrélations encore plus grandes que celles
permises par la corrélation quantique. Le monde
qui en résulterait serait très bizarre.
Le moindre des gestes entraînerait un grand nombre
de conséquences corrélées, si bien
que la vie et l'évolution y deviendraient impossibles.
Ce serait le cas, cité dans l'article de Webb,
d'un monde n'obéissant qu'à une seule règle,
celle selon laquelle la cause et l'effet ne peuvent se
propager plus vite que la lumière (principe de
«causalité relativiste»).
Or la physique quantique est loin de permettre des corrélations
aussi systématiques. Elle en limite strictement
les possibilités. Mais alors se pose la question
de savoir pourquoi elle est si restrictive, et quel facteur
a déterminé le maximum de degré de
corrélation qu'elle admet. En 2001 le physicien
Lucien Hardy a proposé un ensemble d'axiomes physiquement
plausibles qui devrait suffire à définir
la mécanique quantique et elle seule(7).
Malheureusement, comme il le reconnaît lui-même,
certains de ces axiomes permettent aussi la construction
de systèmes mathématiques extérieurs
à la théorie quantique.
Mais par la suite, à partir de l'un des axiomes
de Hardy, Brukner a développé trois règles
décrivant comment, en conformité avec l'expérimentation,
la théorie quantique intervient dans le cas du
plus simple des systèmes quantiques, à savoir
un qbit qui résulte de la superposition de deux
états possibles. Si les trois règles de
Bruckner s'appliquaient uniquement à la théorie
quantique, cela permettrait d'éliminer les autres
axiomes de Hardy et conduirait au fondement de l'intrication,
la plus significative des corrélations permises
par la théorie quantique(8).
Que sont les règles de Brukner ? La première
est qu'un qbit peut passer en continu d'un état
de superposition à l'autre. Ceci n'est pas possible
dans la physique classique. La seconde règle est
que l'on ne peut extraire d'un qbit en état de
superposition, en le mesurant, qu'un seul bit d'information
à la fois. La troisième règle ne
s'applique qu'à des systèmes composites
de deux ou plusieurs qbits. Connaissant les probabilités
que les qbits individuels soient dans un état particulier
et les probabilités de corrélation entre
eux, on obtient l'état du système complet.
Ceci enferme les propriétés de l'intrication
entre des états quantiques que l'expérience
peut faire apparaître dans le monde réel.
La chose serait alors d'une grande importance. L'intrication
quantique, et les expériences qui permettent de
la mesurer, lesquelles portent dorénavant sur des
systèmes de plusieurs atomes, représentent
une base indiscutable. Or seule une théorie aussi
précisément corrélée que la
théorie quantique peut à la fois obéir
à tous les axiomes proposés et produire
le type d'intrication quantique observable expérimentalement.
Des théories moins précisément corrélées
ne produisent aucune intrication. Dans d'autres, on peut
mesurer tous les états de tous les qbits d'un système,
connaître leurs corrélations et ne pas povoir
connaître l'état global du système.
Mais pourquoi l'intrication quantique joue-t-elle un tel
rôle dans la nature ? La question n'a pas encore
de réponse. Pour Brukner, on pourrait envisager
que, sans intrication, la matière ordinaire ne
serait pas stable; Il faudrait dans ce cas poursuivre
l'observation des états d'intrication dans des
corps de plus en plus proches de ceux de la matière
ordinaire. Mais beaucoup de chercheurs ne sont pas convaincus.
Ils soupçonnent qu'une règle encore à
découvrir devrait permettre d'expliquer plus complètement
la « réalité » du
monde quantique, aussi bizarre que puisse être cette
explication. On pourrait alors espérer trouver
par une autre voie la relation entre la mécanique
quantique et la gravité(9).
On voit en tous cas que le temps n'est plus où,
devant la bizarrerie du monde quantique, la réponse
la plus courante des physiciens quantiques aux curieux
était «circulez, il n'y a rien à voir».
Post-scriptum
au 12/09/2010
Nous
recevons de Michel Gondran, que nous remercions, les remarques
suivantes:
J'ai
deux remarques: une de détail, une de fond :
* Remarque de détail : pas d'accord avec
la phrase
"La recherche des variables cachées n'a toujours
pas abouti"
La recherche des variables cachées n'a toujours
pas été reconnue par la communauté.
Et cela est un problème épistémique
dont la communauté devra un jour se défendre
devant le tribunal de l'Histoire. Le coup de gueule de
Bell s'interrogeant sur le silence de ses professeurs
est toujours d'actualité:
Mais alors pourquoi Born ne m’avait-il pas parlé
de cette «onde pilote»? Ne serait-ce que pour
signaler ce qui n’allait pas avec elle? Pourquoi
von Neumann ne l’a-t-il pas envisagée ? Plus
extraordinaire encore, pourquoi des gens ont-ils continué
à produire des preuves d’impossibilité,
après 1952, et aussi récemment qu’en
1978 ? Alors que même Pauli, Rosenfeld et Heisenberg
ne pouvaient guère produire de critique plus dévastatrice
de la théorie de Bohm que de la dénoncer
comme étant «métaphysique» et
«idéologique»? Pourquoi l’image
de l’onde pilote est-elle ignorée dans les
cours? Ne devrait-elle pas être enseignée,
non pas comme l’unique solution, mais comme un antidote
à l’autosatisfaction dominante? Pour montrer
que le flou, la subjectivité et l’indéterminisme
ne nous sont pas imposés de force par les faits
expérimentaux, mais proviennent d’un choix
théorique délibéré ?
*
Remarque de fond : l'article "A la recherche
d'un éventuel réel quantique" peut
laisser à croire que les mondes multiples semblent
la solution et que les alternatives ne se trouvent que
dans les points de vue de Brukner et les autres.
Il
est vrai qu'actuellement, la communauté, ayant
pris au sérieux l'existence de l'ordinateur quantique,
s'est engouffré dans la croyance des mondes multiples
d'Everett.
Or
pour moi, la réalité d'un système
quantique correspond, comme dans l'interprétation
de Broglie-Bohm-Bell, à une particule et une onde
(champ), c'est à dire à une réalité
augmentée par rapport à le seule particule
comme en classique.
J'adresse
à Automates Intelligents un papier et une présentation
sur ma critique de la possibilité d'un ordinateur
quantique. Mon point de vue est que le qubit individuel
n'existe pas; seul existe le qubit statistique dans un
cadre mésoscopique, tel celui mis en oeuvre par
Chuang d'IBM qui a décidé arrêter
malgré son succès.
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